Fehler in der Wabe

Dank der starken Bindungen zwischen den Kohlenstoff­atomen ist Graphen sehr stabil, bleibt dabei jedoch biegsam. Zudem ist Graphen ein hervor­ragender elektrischer Leiter, durch den Strom fast verlust­frei fließen kann. Die besonderen Eigenschaften von Graphen lassen sich durch Dotierung noch erweitern. So entstehen durch Fremd­atome Stör­stellen, die es beispiels­weise erlauben, Graphen als winzigen Transistor zu nutzen und Schaltungen zu ermöglichen.

In einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlern der Universität Basel und des National Institute for Material Science in Tsukuba in Japan, den Universitäten Kanazawa Kwansei Gakuin in Japan sowie der Aalto University in Finnland haben die Forscher nun gezielt Graphen­bänder dotiert und untersucht. Die Wissenschaftler ersetzten dabei bestimmte Kohlen­stoff-Atome im Waben­gitter durch Bor- und Stickstoff­atome. Dies gelang ihnen durch Oberflächen­chemie, indem sie geeignete organische Verbindungen, die als Vorstufen dienen, auf einer Gold­oberfläche platzierten. Durch stufen­weise Hitze­einwirkung von bis zu 400 Grad Celsius entstanden auf der Gold­oberfläche aus den Vor­stufen winzige Graphen­bänder, die an bestimmten Stellen mit Fremd­atomen versehen sind.

Die Wissenschaftler aus dem Team von Ernst Meyer vom Swiss Nanoscience Institute und dem Departement Physik der Universität Basel untersuchten diese Graphen­bänder mithilfe eines Raster­kraft­mikroskops. Sie verwendeten dazu eine Kohlen­monoxid­spitze und maßen die winzigen Kräfte, die zwischen der Spitze und den einzelnen Atomen wirken.

Mit dieser Methode lassen sich selbst kleinste Kräfte­unterschiede detektieren. Über die verschiedenen Kräfte kann man dann die unter­schiedlichen Atome abbilden und identifizieren. „Die gemessenen Kräfte für Stickstoff­atome sind größer als die für ein Kohlen­stoff-Atom“, erklärt Shigeki Kawai, Erstautor der Studie und ehemals Postdoc im Team von Meyer: „Die kleinsten Kräfte haben wir für die Bor-Atome gemessen.“ Erklären lassen sich die unter­schiedlichen Kräfte durch den unter­schiedlichen Anteil von repulsiven Kräften, was durch die verschiedenen Atom­radien bedingt ist.

Computersimulationen bestätigten die Mess­werte und konnten damit untermauern, dass die Rasterkraft-Technologie bestens geeignet ist, um chemische Analysen von Fremd­atomen in den viel­versprechenden zwei­dimensionalen Kohlenstoff­verbindungen vorzu­nehmen.

U. Basel / DE